«Последние пару лет мы много работали с материалом под названием PVDF — поливинилиденфторид», — объясняет Вальтер Войт, доктор философии из Техасского университета в Далласе (Юта Даллас). «Если мы произведем его в точных условиях, мы сможем сделать его пьезоэлектрическим, а это значит, что если я растягиваю его, он генерирует электричество. Или я могу приложить электричество к поверхности материала и заставить его изменить форму».PVDF и другие материалы с аналогичными характеристиками уже нашли применение в современных технологиях, например, в виде датчиков давления в сенсорных панелях и датчиков наклона в электронике. Но их потенциал, если их пьезоэлектрические свойства значительно улучшатся, может выйти далеко за рамки приложений первого поколения.
В сотрудничестве с Шашанком Прией, доктором философии из Политехнического института Вирджинии и государственного университета, Войт уже добился нового прогресса в достижении этой цели. Они возглавили усилия по разработке «мягких» материалов на основе полимеров, собирающих энергию, в рамках программы Центра материалов и систем сбора энергии, Национального научного фонда (NSF), направленной на разработку технологий захвата энергии и управления движением. .Кэри Баур, докторант лаборатории Войта, придумал способ включить органические наноструктуры, известные как «бакиболлы» и однослойные углеродные нанотрубки, в волокна ПВДФ, чтобы удвоить их пьезоэлектрические характеристики.
Бакиболлы — это крошечные сферы, состоящие из атомов углерода. Они и их цилиндрические родственники обладают интересными свойствами, которые ученые используют по-разному.
В случае материалов Войта углеродные наноструктуры выравниваются и увеличивают общую напряженность электрического поля. По словам Войта, в результате гибриды ПВДФ-углерод являются лучшими пьезоэлектрическими композитами, о которых на сегодняшний день сообщалось в научной литературе.
Чтобы превратить эти нити-подобные структуры в искусственные мышцы — универсальное название материалов, которые могут сжиматься или расслабляться в ответ на электрический ток или температуру — Войту необходимо сделать их более мощными. Один из подходов к достижению этой цели был разработан коллегой из UT в Далласе. Рэй Боуман, доктор философии, взял пучок нейлоновых волокон шириной с десять прядей человеческого волоса и скрутил их в длинную тугую катушку, похожую на старый телефонный шнур, но в гораздо меньшем масштабе. Эта конструкция могла сжиматься почти на 50 процентов при нагревании и поднимать около 16 фунтов.
«Эффект похож на скручивание резинки», — говорит Войт. «Если вы потянете за него, когда он свернут, вы получите гораздо большую нагрузку на резиновую ленту, чем если бы она была прямой».Войт пытается создать аналогичный эффект для своих углеродных волокон из PVDF, которые являются гораздо лучшими пьезоэлектрическими материалами, чем нейлон, и сжимаются в ответ на электрический ток. «Мы должны его свернуть», — говорит он. «У нас должны быть правильные пьезоэлектрические свойства после того, как он имеет такую сложную форму.
Это настоящий секретный соус, который, как мы думаем, мы можем реализовать. В конечном счете, его можно использовать для создания синтетических мышц, которые могут сделать протезы более похожими на жизнь».По его словам, еще одно потенциальное использование материалов Войта, которое вызвало коммерческий интерес, — это сбор энергии.
Компания Boeing, которая финансировала некоторые из его исследований, заинтересована в использовании энергии, вырабатываемой пассажирами самолета, когда они сидят, встают и регулируются в своих креслах, для включения некоторых функций самолета, таких как верхнее освещение в кабинах. Войт говорит, что это позволит авиакомпании отказаться от некоторых кабелей, которые могут значительно увеличить вес их самолетов, и сэкономить на топливе.
«Теперь мы находим способы сделать это более технологичным в больших масштабах, чтобы использовать более крупные устройства для сбора энергии и практичные искусственные мышцы», — говорит Войт.